Stem cells in Italy: short story of a great achievement

Stem cells have been at the center of a wide debate that involves not only the scientific field for some time now, but also the religious one, ethical, legal and political.

Since in 1960 McCulloch and Till discovered the existence of stem cells in the bone marrow¹, that is, a semi-solid tissue present within the bones of the body, they have become part of our life, arousing curiosity and interest, but also fear and skepticism.

Figure 1. Why stem cells are important (edited and translated from europarl.europa.eu – European Parliament)

The enormous potential of stem cells, which has led many researchers to investigate this field, lies in their ability to self-maintain and self-renew and to differentiate into different types of cells that make up the tissues and organs of our body. This means that stem cells can be used in the clinical setting for tissue repair and regeneration and for the therapy of numerous pathologies.

We've known for a long time that it's allowed, Also in Italy², hematopoietic stem cell transplantation, that is, those from which all our blood cells derive, per la cura di diversi tipi di leucemie e altri disordini ematici, ma chiaramente la ricerca in questo ambito non si è fermata qui. Infatti sono molte le ricerche che si stanno compiendo per studiare diversi tipi di cellule staminali da applicare nella terapia di altre patologie considerate finora intrattabili, come i tumori, le malattie del sistema immunitario e alcune patologie cardiache, muscolari, osteoarticolari e persino neurodegenerative. Furthermore, grazie al progresso delle biotecnologie, si stanno studiando nuovi approcci terapeutici.

Con l’avvento della medicina rigenerativa è infatti possibile rigenerare i tessuti danneggiati attraverso l’impiego di cellule staminali opportunamente coltivate in laboratorio e differenziate nel tessuto di interesse. Another branch of regenerative medicine has also recently developed, tissue engineering, that is, a science that applies both principles of engineering, and those of the biomedical sciences. The objective of tissue engineering is to reconstruct biological substitutes in the laboratory capable of regenerating damaged tissues and organs, combining stem cells with biomaterials, i.e. materials compatible with the tissues of the organism, capable of supporting the growth of new cells and then degrading spontaneously over time. The stem cells are in fact placed inside the biomaterials and implanted with them. Once inside the body, the cell, grazie ad una serie di segnali specifici e all’interazione con l’ambiente circostante, saranno indotte a proliferare, a differenziare e a sostituire progressivamente il tessuto danneggiato.

Figure 2. Le cellule staminali embrionali totipotenti sono in grado di dare origine all’intero organismo e agli annessi extra-embrionali, tra cui la placenta. Le cellule staminali embrionali pluripotenti generano i tre foglietti embrionali (endoderma, mesoderma, ectoderma) da cui derivano tutti i tessuti e gli organi. Le cellule staminali pluripotenti indotte sono cellule staminali la cui pluripotenza viene indotta in laboratorio a partire da cellule adulte riprogrammate. La riprogrammazione cellulare può offrire una valida alternativa all’impiego di cellule staminali embrionali umane. Le cellule staminali multipotenti, avendo perso la pluripotenza, sono cellule specializzate che danno origine ad un limitato numero di tipi cellulari. La capacità delle cellule staminali di differenziare in numerose cellule specializzate le rende potenzialmente applicabili in campo terapeutico per rimpiazzare cellule danneggiate di diversi tessuti e organi dell’organismo

La ricerca sulle cellule staminali in Italia, come del resto anche in altre parti del mondo, non ha sempre trovato la strada spianata: in 2004 la legge 40 ha limitato la fecondazione in vitro ad uso autologo, cioè a partire da cellule prelevate dallo stesso paziente, così come la ricerca sulle cellule staminali embrionali umane; in 2005 siamo stati chiamati a votare per il referendum abrogativo di tale legge, ma non è stato raggiunto il quorum. In 2009 un decreto legge ha vietato in Italia la conservazione delle cellule staminali provenienti da sangue cordonale e da cordone ombelicale ad uso autologo, mentre è possibile conservarle presso strutture all’estero. Nonostante i passi avanti compiuti di recente nell’ambito della fecondazione medicalmente assistita, c’è ancora molta strada da fare nel campo della manipolazione degli embrioni e quindi anche delle cellule staminali embrionali, but not only.

Malgrado ciò, è recente la notizia di un importante traguardo raggiunto da due ricercatori italiani: si tratta di Michele De Luca, docente di Biochimica presso l’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia e direttore del Centro Medicina Rigenerativa “Stefano Ferrari”, e di Graziella Pellegrini, professor of applied biology at the same university and coordinator of cell therapy at the "Stefano Ferrari" Regenerative Medicine Center.

In fact, they have won the prestigious Innovation Award 2018 (Innovation Award 2018)  da parte della International Society for Stem Cell Research (ISSCR), which will be delivered in June in Australia during the company's annual meeting.

during their research, De Luca and Pellegrini have in fact managed to reconstruct a fragment of human cornea starting from cultivation in vitro, i.e. in the laboratory, of stem cells taken from limbus, an area of ​​the eye responsible for the regeneration of the cornea. By grafting this fragment into patients who had suffered eye damage, in seguito al quale la cornea aveva perso la capacità di rigenerarsi, è stato possibile ripararla, con risultati duraturi nel tempo. Tale protocollo terapeutico, applicato con successo in diversi casi, è stato quindi approvato nel 2015 come primo farmaco a base di cellule staminali corneali umane autologhe da parte della European Medicines Agency (EMA) e denominato Holoclar®.

De Luca e Pellegrini sono stati anche i primi ricercatori in Europa ad impiegare con successo le cellule staminali per la rigenerazione della cute nella terapia di gravi ustioni. A partire da queste ricerche, sempre nel 2015 hanno potuto impiegare per la prima volta le cellule staminali per curare un bambino affetto da epidermolisi bollosa giunzionale. Questa rara patologia genetica è caratterizzata dalla presenza di bolle e desquamazioni della cute, che la rendono estremamente fragile come le ali di una farfalla (per questo motivo i bambini che ne sono affetti vengono spesso denominati “bambini farfalla”).

Grazie alla coltivazione in vitro di cellule staminali prelevate da una piccola biopsia, cioè da un frammento di pelle di una zona non lesionata, i due ricercatori hanno potuto ricreare in laboratorio un innesto di cute, che è stato successivamente trapiantato sull’area danneggiata, allowing, a due anni dall’intervento, la rigenerazione dell’epidermide³.

Questi sono solo alcuni dei promettenti risultati ottenuti mediante l’applicazione clinica delle cellule staminali per la rigenerazione tissutale e la terapia di diverse patologie.

A continuous and profound knowledge of stem cells is certainly still necessary, which cannot be considered as the panacea for all ills, but given their extraordinary potential and in the light of the passion and commitment of numerous researchers, it is to be hoped that in the not too distant future diseases for which there is currently no effective cure can be treated by applying them.

by Maria M.

Sources:

1. McCulloch, IT'S AT., Till, J. E. The radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells, determined by quantitative marrow transplantation into irradiated mice. Radiation Research, 13(1):115–125 (1960);
2. Clinical indications for which the use for hematopoietic stem cell transplantation is consolidated, with proven documentation of effectiveness, per le quali è opportuna la raccolta dedicata di sangue cordonale – Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana – Serie generale – n. 303 of the 31/12/2009;
3. Hirsch et al. Regeneration of the entire human epidermis using transgenic stem cells. Nature, Volume 551, pages 327–332 (2017).

Ulteriori indicazioni bibliografiche:

• Maurilio Sampaolesi, Le cellule staminali – Tra scienza, etica e usi terapuetici, 2011 – Società editrice il Mulino;
• “Cornea: dai trapianti alle terapie cellulari”;
• “Ricerca sulle staminali, a due ricercatori Unimore il più prestigioso premio mondiale”;
• “Il bimbo farfalla salvato dal team di Modena con le cellule staminali”.